一种3D打印的整体式砂芯内腔多余砂料的清理方法与流程

本发明涉及3d打印砂型的辅助清砂工艺技术领域，特别涉及一种3d打印的整体式砂芯内腔多余砂料的清理方法。

背景技术：

3d打印通过增材制造方法给传统制造领域带来了革命性影响，在多个领域体现了强大的优势。比如直接打印具有复杂结构的零件，模具等，可以缩短周期，降低研发成本，将制造业带进柔性化生产的新天地。但是目前3d打印技术主要还停留在小批量研发试制，或小批量定制阶段，还远没有走向批量柔性化制造。究其原因，除了成本和效率方面的影响外，还有一个主要的影响因素就是3d整体打印零件多余材料的去除困难。

主流的3d打印技术可以分为两种，一种是层状堆叠方法，另一种是粉体选择性硬化，包括激光烧结，喷射粘接等。利用层状堆叠方法打印结构复杂的零件时通常需要繁多的支撑，外表面支撑比较容易去除，但是内部腔体结构的支撑往往难以去除。相比较而言，使用粉体选择性硬化方案进行零部件打印时不需要支撑，具有更大优势。铸造3d打印砂芯即采用此种技术方案。

铸造3d打印技术是对砂粒逐层选择性喷射粘结剂进行打印的，砂粒的选择从直径ø0.1mm(140目)到直径ø0.4mm(40目砂粒直径为0.38mm)不等。在铸造3d打印机工作时，每铺一层砂粒，随之选择性喷射一次粘结剂，砂粒之间本身就有一定摩擦力，在铺砂操作时又给予了一定的压力，使砂粒铺设的紧实度较好。另外目前单液料的打印机，砂粒会预混入催化剂，砂粒流动性差，在复杂砂芯打印完成后，内部腔道里的多余砂粒无法通过简单倾倒去除。另一方面，粘结剂在砂粒空隙间的扩散，使砂芯表面粘附一层低硬化度的砂粒，引入了砂芯表面清理的问题，使复杂砂芯内部腔道的清理更加困难。针对这一问题，当前多采用的方式是将砂芯拆分成多块砂芯，使内部腔道也裸露，使用压缩空气清理，这种方法带来了后续的组装操作，也引入了装配偏差和缝隙问题，使3d打印丧失了直接生产复杂零件的优势。本文将就整体打印复杂砂芯的内部清理问题提出一种解决方案。

技术实现要素：

本发明的针对现有技术中复杂内腔的砂芯结构整体3d打印后不便于内腔清砂的问题，提供一种3d打印的整体式砂芯内腔多余砂料的清理方法，以解决复杂内腔砂芯的清砂问题。

本发明的目的是这样实现的，一种3d打印的整体式砂芯内腔多余砂料的清理方法，所述砂芯为整体式的3d打印砂芯，砂芯内设有若干腔道，腔道内堆叠未粘结的散砂，所述砂芯的各个表面开设若干与内部的腔道连通的排砂孔，清除砂芯内腔的散砂时，首先进行初步振动清砂：通过振动的方式将内腔的散砂分别从各排砂孔振动排出进行初步清砂；然后进行钢珠振动撞击清砂：向砂芯内腔灌入内腔理论容积40—50%的钢珠，钢珠直径为1-4mm,之后将砂芯表面与内腔连通的各排砂孔和其它表面开口部位通过堵头封堵，再次通过振动使钢珠撞击内腔表面低硬化的过渡砂层，振动一段时间后打开各封堵的堵头，排出钢珠和击落的散砂，完成砂芯内腔多余砂料的清理。

本发明的砂芯内腔通道散砂的清除方法中，将原本封闭的内部腔道开通若干与表面连通的排砂孔，打印内部腔道与外界的连接，然后通过振动方式使腔道内的未粘接硬化的散砂分别从各排砂孔排出进行初步的清砂，然后向初步清砂的腔道内灌入适量的钢珠，将并钢珠封闭在腔道内，通过振动使钢珠撞击腔道壁低硬化的过滤砂层，逐步将过渡砂层的砂击落，最后经排砂孔排出钢珠和散砂，完成整体式砂芯内道腔道的清砂过程。

为进一步便于实现砂芯内部通道与外表面的连通，所述砂芯内腔结构突变的部位至少开设一个与最近表面连接的排砂孔，所述结构突变指砂芯腔道内通径尺寸突变的部位或砂芯腔道轮廓曲率有突变的部位。本发明的结构中，在砂芯结构突变的部位开设与最近表面连接的排砂孔，可以将复杂的内腔结构通过排砂孔与外部连通，以便于腔道内散砂的排出。

为便于排砂内排砂孔部位的封堵，所述排砂孔为与邻近的内部腔道连通的直孔，所述排砂孔直径为4—50mm。因砂芯开排砂孔的部位原属于封闭的部位，清砂处理后需将排砂孔封堵还原砂芯原结构状态，本结构中，直孔结构的排砂孔，封堵方便，并且封堵后的密闭性好。

为便于初步清除腔道内的散砂，振动清砂初步振动清砂过程具体包括如下步骤：第一步，将3d打印砂芯固定在振动台上，使有排砂孔的其中一个砂芯表面向下，并使排砂孔保持排砂畅通；第二步，对振动台施加变交振动一定时间，使与向下排砂孔连通的腔道内的散砂逐步排出；第三步，翻转砂芯使其它有排砂孔或有开口的砂芯表面向下，重复第一步和第二步的排砂过程；继续翻转砂芯重复第一步和第二步的排砂过程，直至所有的有排砂孔及有开口的表面均经向下放置并振动后均无散砂排出为止。

本方法的初步清砂方法，实现一种振动倾倒排砂腔道内散砂的过程，具体为：砂芯振动排砂过程中，未硬化的多余砂粒，由于本身的表面摩擦和设备的压实操作而建立了较为稳定的堆积体，从而无法发挥砂粒本身的流动性。给砂芯施加一个整体振动可以打破这种稳定堆积体。振动对砂粒的实际作用是使砂粒瞬间获得高速运动，即获得较大的加速度，根据牛顿第二定律，砂粒在自身重量作用下产生惯性力，从而脱离其他砂粒的摩擦作用，而运动到新的位置。这种振动作用下的脱离效应离排砂孔最近砂粒表现最为突出，从而在惯性力作用下极易逃脱摩擦作用，并在自身重力下获得流动性，并从就近的向下的排砂孔流出，离排砂孔最近的表面砂粒逐渐被清理，同时砂粒表面逐渐向内推移，通道逐渐打通。同时在振动的作用下，砂粒无法在表面摩擦的作用下建立锥形堆积，砂粒将发生水平输运行为，将同高度的砂粒输运至流砂口，从而达到去除内腔通道绝大多数多余砂粒的效果。

为进一步加快排砂速度，砂芯随振台振动时，向下的排砂孔外部设有负压抽吸管路用于辅助排砂。

进一步的，初步振动清砂过程中，砂芯的振动为频率为1—31hz，振幅应小于1mm的交变振动。

为便于排砂孔孔径过小而不易与内部腔道连通，初步振动清砂前，对靠近各砂芯表面的排砂孔及开口部位的散砂进行机械疏通。

为便于清除腔道内壁的过渡砂层，钢珠振动撞击清砂过程中，将砂芯每个表面分别向下固定在振动台上振动一段时间，然后再翻转使另一个有排砂孔和开口的表面向下继续振动直至所有的表面均经上述翻转和振动，最后去除各封堵的堵头，从各排砂孔排出钢球和击落的散砂。

进一步地，钢珠振动撞击清砂过程中的振动为频率1-3hz，振幅2-3mm的交变振动。

进一步地，钢珠振动撞击清砂过程中，每翻转一次方向的振动时间不少于10秒。

附图说明

图1为整体式的3d打印的铸铁缸头的砂芯结构（已开排砂孔）示意图。。

图2为铸铁缸头的砂芯内罐注钢珠振动后的示意图。

1浇口；2排气孔；3冒口；4、5、6、7、8、9排砂孔。

具体实施方式

下面以铸铁缸头铸件的整体3d打印砂芯为例详细说明本发明的整体式砂芯内腔多余砂料的清理方法。

如图1所示为打印3d打印的铸铁缸头的砂芯结构，该砂芯本身带有用于浇注的浇口1，排气孔2和冒口5。为便于实现整体打印后的砂芯的排砂，整体式砂芯结构设计时还需在其它侧面还分别设置排砂孔4、排砂孔5、排砂孔6、排砂孔7、排砂孔8、排砂孔9，各排砂孔均为直孔并分别与内部邻近的内部腔道连通，本实施例的铸铁缸头铸件砂芯内部腔道比较窄小，并且腔道多处有结构突变的部位，其它结构突变主要指腔道的最小通径尺寸的突变和腔道内轮廓面曲率的突变，上述结构突变部位均需要设置与邻近表面直通的排砂孔，排砂孔设置时根据内腔通道的尺寸孔径为4—50mm,排砂孔内部未端与邻近连接的内腔通道平滑过渡连接，结构复杂的内腔可以进一步结合流体仿真软件，预先模拟流动砂体在腔道内的流动状态以确定适当开排砂孔部位和合适数量、合适孔径的排砂孔。

按上述方法设置的带有若干排砂孔的整体式砂芯结构通过3d铺砂，选择性喷粘结剂硬化的砂芯，打印出箱后，将砂芯外部占用空间的砂子通过吸砂管抽走或其他工具铲走，使砂芯整体露出，此时砂芯内部的腔道充满未粘结的散砂。初步振动清砂过程中，第一步，将3d打印砂芯固定在振动台上，使有排砂孔的其中一个砂芯表面向下，并使排砂孔保持排砂畅通，为保证明排砂孔的畅通，砂芯固定在振动工作台上时，可以在砂芯底部非排砂部位设置支撑部件，防止排砂孔被堵住，对于窄小的排砂孔，振动前可以先机械疏通排砂孔使其在振动状态下正常流砂；第二步，对振动台施加频率为1—3hz，振幅应小于1mm的交变振动，单次振动时间不少于10秒，使与向下排砂孔连通的腔道内的散砂逐步从排砂孔排出；第三步，翻转砂芯使其它有排砂孔或有开口的砂芯表面向下，重复第一步和第二步的排砂过程进行振动排砂；继续翻转砂芯重复第一步和第二步的排砂过程，直至所有的有排砂孔及有开口的表面均经向下放置并振动后均无散砂排出为止。完成初步振动清砂后进行钢珠振动撞击清砂过程，从各排砂孔和砂芯顶部的浇口、排气孔和冒口等开口部位通过量杯或其它体积量具称量向砂芯内腔灌入内腔理论容积40—50%的钢珠，如图2所示，钢珠直径为1-4mm，然后将排砂孔和其它表面开口部位通过堵头封堵，再次将砂芯固定振动台上以频率为1-3hz，振幅2-3mm的交变振动，使钢珠撞击内腔表面低硬化的过渡砂层，为使腔道内钢珠均匀分布和撞击腔道内壁，砂芯每个表面分别向下固定在振动台上振动，单次振动时间不少于10秒，然后再翻转使另一个有排砂孔和开口的表面向下继续振动直至所有的表面均经上述翻转和振动，最后去除各封堵的堵头，从各排砂孔排出钢球和击落的散砂，完成砂芯内腔多余砂料的清理。

完成上述内腔清砂工作后，须还原砂芯结构未开设排砂孔前的结构，通过与砂芯质材相应的砂料堵头将各排砂孔封堵牢靠，然后进行后续的砂芯流涂、合箱等铸造工艺过程。

本发明的上述整体式砂芯内腔通道清砂方法创新的采用了机械振动打破铸造3d打印多余材料的堆积平衡，使砂粒重获流动性，并采用钢珠的输运作用对内腔通道表面进行清理，具有以下明显优势：

（1）振动设备可以进行电气控制，实现自动化清理，有利于保证清理效果，和实现流水线式作业；

（2）振动设备控制参数为可编程参数，包括振动频率、振幅等易于实现程序化控制，工艺标准化和柔性化生产；

（3）除电能外，清理设备不消耗其他能源，除钢珠外不需要其他清理物质或材料，不产生污染物，清理出的砂粒和钢珠均可回收再利用，绿色环保；

（4）本方案解决了铸造3d打印复杂内腔整体砂芯多余材料的清理去除问题，使3d打印增材制造的优势得以最大发挥。